Исследование влияния формирования двухфазных керамик на основе цирконата неодима за счет допирования MgO и Y2O5 на стабильность прочностных и теплофизических параметров при облучении
Авторы
DOI:
https://doi.org/10.31489/2024No2/5-13Ключевые слова:
цирконат неодима, допирование, повышение стабильности, радиационные дефекты, упрочнение, теплофизические параметрыАннотация
В работе представлены результаты исследования определения устойчивости цирконата неодима (Nd2Zr2O7) допированного MgO и Y2O5 к радиационным повреждениям, вызванным облучением тяжелыми ионами, сравнимыми с осколками деления ядерного топлива. Интерес к данному типу керамик обусловлен возможностями повышения рабочих температур активной зоны ядерных реакторов нового поколения, в виду высоких показателей теплопроводности в сравнении с диоксидом циркония, а также более высокими показателями прочностных параметров, характеризующих устойчивость керамик к внешним воздействиям. Основные результаты данного исследования заключаются в определении влияния формирования фаз замещения или внедрения при добавлении в состав оксидов магния и иттрия, на повышение устойчивости прочностных и теплофизических параметров Nd2Zr2O7 к накоплению радиационных дефектов в поврежденном приповерхностном слое. В ходе проведенных исследований было установлено, что формирование примесных фаз в виде включений MgO (при его добавлении в состав) и фазы замещения типа Y2Zr2O7 (при добавлении Y2O5) приводит к повышению устойчивости твердости и трещиностойкости Nd2Zr2O7 керамик, что свидетельствует о положительном эффекте допирования, связанного с формированием дополнительных межфазных границ, препятствующих деформационному охрупчиванию поврежденного слоя при высокодозном облучении. При определении теплофизических параметров исследуемых Nd2Zr2O7 керамик было установлено, что формирование межфазных границ при допировании приводит не только к увеличению теплопроводности, но и более низким трендам ухудшения коэффициента теплопроводности при облучения для двухфазных керамик в сравнении с недопированными Nd2Zr2O7 керамиками.
Библиографические ссылки
Davies A., Simmons M. D. (2021) Demand for ‘advantaged’hydrocarbons during the 21st century energy transition. Energy Reports. 7, 4483-4497. DOI: 10.1016/j.egyr.2021.07.013.
Stančin H., Mikulčić H., Wang X., Duić N. (2020) A review on alternative fuels in future energy system. Renewable and sustainable energy reviews. 128, 09927. DOI: 10.1016/j.rser.2020.109927.
Lorusso P., Bassini S., Del Nevo A., Di Piazza I., Giannetti F., Tarantino M., Utili M. (2018) GEN-IV LFR development: status & perspectives. Progress in Nuclear Energy. 105, 318-331. DOI: 10.1016/j.pnucene. 2018.02.005.
Yan X.L. (2023). Very High Temperature Reactor. In Handbook of Generation IV Nuclear Reactors. Woodhead Publishing. 133-165. DOI:10.1016/B978-0-12-820588-4.00009-8.
Restani R., Martin M., Kivel N., Gavillet D. (2009) Analytical investigations of irradiated inert matrix fuel. Journal of nuclear materials, 385(2), 435-442. DOI: 10.1016/j.jnucmat.2008.12.030.
Lombardi C., Luzzi L., Padovani E., Vettraino F. (2008) Thoria and inert matrix fuels for a sustainable nuclear power. Progress in Nuclear Energy. 50 (8), 944-953. DOI: 10.1016/j.pnucene. 2008.03.006.
Kelly J.E. (2014) Generation IV International Forum: A decade of progress through international cooperation. Progress in Nuclear Energy. 77, 240-246. DOI: 10.1016/j.pnucene.2014.02.010.
Zohuri B. (2020) Generation IV nuclear reactors. Nuclear reactor technology development and utilization. Woodhead Publishing. 213-246. DOI: 10.1016/B978-0-12-818483-7.00006-8.
Hellwig C., Streit M., Blair P., Tverberg T., Klaassen F.C., Schram R.P.C., Yamashita T. (2006) Inert matrix fuel behaviour in test irradiations. Journal of nuclear materials. 352 (1-3), 291-299. DOI:10.1016/j.jnucmat. 2006.02.065.
Restani R., Martin M., Kivel N., Gavillet D. (2009) Analytical investigations of irradiated inert matrix fuel. Journal of nuclear materials. 385 (2), 435-442. DOI:10.1016/j.jnucmat. 2008.12.030.
Frieß F., Liebert W. (2022) Inert-matrix fuel for transmutation: Selected mid-and long-term effects on reprocessing, fuel fabrication and inventory sent to final disposal. Progress in Nuclear Energy. 145, 104106. DOI:10.1016/j.pnucene.2021.104106.
Ledergerber G., Degueldre C., Heimgartner P., Pouchon M. A., Kasemeyer U. (2001) Inert matrix fuel for the utilisation of plutonium. Progress in Nuclear Energy. 38 (3-4), 301-308. DOI:10.1016/S0149-1970(00)00122-0.
Nuritdinov I., Tashmetov М.Yu, Khodzhaev U.O., Umarov S.Kh., Khallokov F.K. (2024). Influence of electron irradiation on the crystal structure, surface microrelief and bandganp width of the triple crystals of iron doped monoselinide of thallium and indium. Eurasian Physical Technical Journal, 20(4(46), 23–32. DOI:10.31489/2023No4/23-32.
Degueldre C., Pouchon M., Döbeli M., Sickafus K., Hojou K., Ledergerber G., Abolhassani-Dadras S.(2001) Behaviour of implanted xenon in yttria-stabilised zirconia as inert matrix of a nuclear fuel. Journal of nuclear materials. 289 (1-2), 115-121. DOI:10.1016/S0022-3115(00)00690-5.
Arima T., Yamasaki S., Torikai S., Idemitsu K., Inagaki Y., Degueldre C. (2005) Molecular dynamics simulation of zirconia-based inert matrix fuel. Journal of alloys and compounds. 398 (1-2), 296-303. DOI:10.1016/j.jallcom.2005.02.041.
Pan W., Xu Q., Qi L.H., Wang J.D., Miao H.Z., Mori K., Torigoe T. (2004) Novel low thermal conductivity ceramic materials for thermal barrier coatings. Key Engineering Materials. 280, 1497-1500. DOI:10.4028/www.scientific.net/KEM.280-283.1497.
Popov V.V., Menushenkov A.P., Ivanov A.A., Gaynanov B.R., Yastrebtsev A.A., d’Acapito F., Ponkratov K.V. (2019) Comparative analysis of long-and short-range structures features in titanates Ln2Ti2O7 and zirconates Ln2Zr2O7 (Ln= Gd, Tb, Dy) upon the crystallization process. Journal of Physics and Chemistry of Solids. 130, 144-153. DOI:10.1016/j.jpcs.2019.02.019.
Shlyakhtina A.V., Belov D.A., Knotko A.V., Kolbanev I.V., Streletskii A.N., Karyagina O.K., Shcherbakova L.G. (2014) Oxygen interstitial and vacancy conduction in symmetric Ln 2±x Zr 2±x O 7±x/2 (Ln= Nd, Sm) solid solutions. Inorganic Materials. 50, 1035-1049. DOI:10.1134/S002016851410015X.
Moudir D., Kamel Z., Ait-Amar H. (2013) Synthesis and characterization of a neodymium zirconate pyrochlore doped with ytterbium:(YbxNd1-x) 2Zr2O7 (x=0.1, 0.25 and 0.4). Journal of Materials Science and Engineering. B. 3 (1B), 1-10. DOI: 55b84d5aac700.
Park S., Tracy C.L., Zhang F., Park C., Trautmann C., Tkachev S.N., Ewing R.C. (2018) Radiation-induced disorder in compressed lanthanide zirconates. Physical Chemistry Chemical Physics. 20(9), 6187-6197. DOI:10.1039/C7CP08664D.
Weber W.J., Duffy D.M., Thomé L., Zhang Y. (2015) The role of electronic energy loss in ion beam modification of materials. Current Opinion in Solid State and Materials Science. 19(1), 1-11. DOI:10.1016/j.cossms.2014.09.003.
Zhang Y., Egami T., Weber W.J. (2019) Dissipation of radiation energy in concentrated solid-solution alloys: Unique defect properties and microstructural evolution. Mrs Bulletin. 44 (10), 798-811. DOI:10.1557/mrs.2019.233.
Van Vuuren A.J., Ibrayeva A.D., O'Connell J.H., Skuratov V.A., Mutali A., Zdorovets M.V. (2020) Latent ion tracks in amorphous and radiation amorphized silicon nitride. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. 473, 16-23. DOI:10.1016/j.nimb.2020.04.009.
Van Vuuren A.J., Ibrayeva A., Rymzhanov R.A., Zhalmagambetova A., O’connell J.H., Skuratov V.A., Zdorovets M. (2020) Latent tracks of swift Bi ions in Si3N4. Materials Research Express. 7(2), 025512. DOI:10.1088/2053-1591/ab72d3.
